principer för Entrainment

1666 upptäckte den holländska fysikern Christian Huygens att pendelfrekvenserna för två klockor monterade på samma vägg eller bräda blev synkroniserade med varandra. Han antog att vibrationerna av luftmolekyler skulle överföra små mängder energi från en pendel till den andra och synkronisera dem till en gemensam frekvens. Men när den sätts på olika ytor försvann effekten. Det sändande mediet var faktiskt det vibrerande kortet eller väggen. För luftmolekylvibrationer skulle det ha varit för mycket dämpning i processen för energiöverföring, vilket senare upptäcktes. Effekten bekräftades därefter av många andra experiment och kallades entrainment. I entrainment de olika mängder energi som överförs mellan de rörliga kropparna på grund av de asynkrona rörelseperioderna orsakar negativ feedback. Denna återkoppling driver en justeringsprocess där de olika energimängderna gradvis elimineras till noll tills båda rörliga kropparna rör sig i resonansfrekvens eller synkronisering. Den starkare” oscillatorn ” låser den svagare i sin frekvens. När båda oscillerande kropparna har lika stark energi, rör sig båda systemen mot varandra: det snabbare systemet saktar ner och det långsammare systemet går upp tills de låser sig i en gemensam rörelseperiod (Pantaleone, 2002).

tekniskt hänvisar entrainment i fysik till frekvenslåsningen av två oscillerande kroppar, dvs., kroppar som kan röra sig i stabila periodiska eller rytmiska cykler. De har olika frekvenser eller rörelseperioder när de rör sig självständigt, men när de interagerar antar de en gemensam period. Förresten, Huygens’ pendlar faktiskt antagit en gemensam period 180 Xiaomi ur fas, som han kallade ”udda sympati.”Det är nu känt att entrainment kan förekomma i olika fasförhållanden av rörelsepågångarna hos de oscillerande kropparna. Ett stabilt fasförhållande uppnås när båda kropparna startar och stoppar sin rörelseperiod samtidigt. Detta är emellertid inte en nödvändig förutsättning för att entrainment ska inträffa. Den avgörande faktorn för entrainment är den gemensamma perioden för de två kropparnas oscillerande rörelser. Den gemensamma perioden entrainment är av avgörande betydelse för kliniska tillämpningar av rytmisk entrainment som en tidsmässig cue i motorrehabilitering (Kugler och Turvey, 1987; Thaut et al., 1998a). Gemensam period entrainment fastställer att den rytmiska cue ger en kontinuerlig tidsreferens under hela varaktigheten av rörelsen som ska regleras.

hörselsystem och tidsuppfattning

betydelsen av hörselsystemet i kontrollen av rörelse fick traditionellt mycket mindre uppmärksamhet i motorstyrningsteori och forskning än det visuella eller proprioceptiva systemet. Därför gav auditiv rytm och mer komplexa auditiva tidsstrukturer associerade med musikaliska mönster inte mycket funktionellt värde i motoriskt lärande eller motorisk rehabilitering. Följaktligen spelade ansökan till motorterapier ingen roll i traditionell musikterapi. Musik tilldelades mestadels en motiverande roll för rörelseprestanda (Thaut, 2005).men grundläggande neurofysiologi och biofysik av sensorimotorisk anslutning har alltid visat spännande interaktioner mellan hörsel-och motorsystemet. Hörselsystemets förmåga att snabbt konstruera stabila temporala mallar är välkänt (se för en recension: Thaut och Kenyon, 2003). Hörselsystemet är utmärkt konstruerat för att upptäcka temporala mönster i hörselsignaler med extrem precision och hastighet, vilket krävs av ljudets natur som endast existerar i temporala vibrationsmönster (Moore, 2003). I dessa uppgifter är hörselsystemet snabbare och mer exakt än de visuella och taktila systemen (Shelton och Kumar, 2010). Eftersom ljudvågor som är viktigast för tal och musik och andra perceptuella uppgifter är baserade på periodiska rörelser som upprepar sig i regelbundet återkommande cykler, är hörselsystemet också perceptuellt inriktat på att upptäcka och konstruera rytmiska ljudmönster. Slutligen har många studier nu visat att auditiva rytmiska signaler kan medföra motoriska svar. Till exempel Thaut et al. (1998b) visade att finger-och armrörelser omedelbart medför perioden för en rytmisk stimulans (t.ex. metronomslag) och förblir låst till metronomfrekvensen även när subtila tempoförändringar induceras i metronomen som medvetet inte uppfattas. Dessa resultat har bekräftats av andra studier (cf, Large et al., 2002).

Neural Entrainment

den neurala grunden för hörselmotorisk entrainment är mindre förstådd. Två tidiga elektrofysiologiska studier (Paltsev och Elner, 1967; Rossignol och Melvill Jones, 1976) visade hur ljudsignaler och rytmisk musik kan prime och tid muskelaktivering via retikulospinala vägar. Det är nu väletablerat att hörselsystemet har rikt fördelade fiberanslutningar till motorcentra från ryggmärgen uppåt på hjärnstammen, subkortikala och kortikala nivåer (Koziol och spirande, 2009; Schmahmann och Pandya, 2009; Felix et al., 2011). Även om den specifika grunden för neurala entrainmentmekanismer fortfarande inte är fullständigt utforskad, har flera studier åtminstone kunnat länka neurala oscillationsmönster i hörselsystemet till tid-och frekvensdynamiken för rytmiska ljudstimuli. Fujioka et al. (2012) visade moduleringar i neuromagnetiska beta-svängningar relaterade till den rytmiska stimulansfrekvensen i hörselområden, motorområden (sensorimotorisk cortex, kompletterande motorområde) samt den underlägsna frontala gyrus och cerebellum. Tierney och Kraus (2013) demonstrerade konsekventa neurala svar i inferior colliculus (IC) synkroniserad med en rytmisk auditiv stimulans (stavelsen ”da”). IC är en tidig hörselvägskärna i hjärnstammen med rika utsprång till cerebellum via de dorsolaterala pontinkärnorna. Eftersom cerebellum aktiveras i sensorimotoriska synkroniseringsuppgifter(jfr. Stephan et al., 2002; Grahn et al., 2011) och aktiveringar i distinkta cerebellära regioner motsvarar olika aspekter av den tidsmässiga dynamiken i rytmisk synkronisering (Thaut et al., 2009b; Konoike et al., 2012) – såsom mönsterdetektering eller spårning av förändringar i rytmisk intervallvaraktighet-representationen av tidsinformation i IC kan vara en viktig funktion i hörsel-till-motor-transformationer under rytmisk entrainment. Slutligen en MEG-studie av Tecchio et al. (2000) visade amplitudförändringar i M100-komponenten i auditiv framkallad fältpotential linjärt medförd av förändringar i de rytmiska intervallvaraktigheterna, dvs längre intervall var associerade med högre M100-intensiteter och vice versa. Detta entrainmentmönster var också observerbart under subliminala varaktighetsförändringar vid 2% av den absoluta intervallvaraktigheten. De exakta neurala överföringsmekanismerna från auditiva till motorcentra har emellertid inte utforskats fullständigt.

av största vikt i samband med motorisk rehabilitering var upptäckten att den skadade hjärnan verkligen kan få tillgång till rytmiska entrainmentmekanismer. Tidiga studier av gångträning i hemiparetisk strokerehabilitering (Thaut et al., 1993, 1997), Parkinsons sjukdom (Thaut et al., 1996; McIntosh et al., 1997), traumatisk hjärnskada (Hurt et al., 1998) och cerebral pares (Thaut et al., 1998) bekräftade beteendemässigt förekomsten av rytmiska entrainmentprocesser i kliniska populationer. Studier som utvidgade entrainment till hemiparetisk armrehabilitering följde noggrant (Whitall et al., 2000; Thaut et al., 2002).

Rhythmic entrainment etablerade den första testbara motorteorin för rollen som auditiv rytm och musik i terapi. De efterföljande studierna ledde till behovet av att kodifiera och standardisera rytmisk-musikalisk applikation för motorrehabilitering (Thaut, 2005; Thaut och Hoemberg, 2014). Avhandlingar tekniker blev den första grunden för den kliniska repertoaren av neurologisk musikterapi.

tidsbaserad Rörelseoptimering

den omfattande effekten av rytmisk entrainment på motorstyrning väcker några viktiga teoretiska frågor om mekanismerna som modulerar dessa förändringar. Vi vet att avfyrningshastigheter för hörselneuroner, utlöst av hörselrytm och musik, medför avfyrningsmönstren för motorneuroner, vilket driver motorsystemet till olika frekvensnivåer. Det finns ytterligare två mekanismer är av stor klinisk betydelse när det gäller entrainment. Den första är att hörselstimulering primerar motorsystemet i ett tillstånd av beredskap att röra sig. Priming ökar efterföljande svarskvalitet.

den andra, mer specifika aspekten av entrainment hänvisar till förändringarna i motorplanering och motorutförande det skapar. Rytmiska stimuli skapar stabila förväntade tidsskalor eller mallar. Förväntan är ett kritiskt element för att förbättra rörelsekvaliteten. Rhythm ger exakta förväntade tidssignaler för hjärnan att planera framåt och vara redo. Dessutom är framgångsrik rörelseförväntning baserad på förkunskap om varaktigheten av cue-perioden. Under entrainment två rörelseoscillatorer – i vårt fall neuralt baserade – av olika perioder medför en gemensam period. Vid auditiv entrainment medför motorperioden perioden för hörselrytmen. Entrainment drivs alltid av frekvens eller period entrainment – det vill säga de vanliga perioderna kan eller kanske inte vara i perfekt faslås (dvs början av motorresponsen skulle vara perfekt synkroniserad med hörselslaget). Beat entrainment är ett vanligt missförstått koncept. Entrainment definieras inte av beat eller phase entrainment – det definieras av period entrainment (Large et al., 2002; Thaut och Kenyon, 2003; Nozaradan et al., 2011).

Period entrainment erbjuder lösningen på varför hörselrytmen också förändrar de rumsliga kinematiska och dynamiska kraftmåtten för muskelaktivering, t.ex. vilket framgår av utjämning av hastighets-och accelerationsprofiler. Förkunskap om rörelsens varaktighet förändrar beräkningsmässigt allt i motorplanering för hjärnan. Hastighet och acceleration är matematiska tidsderivat av rörelseposition. Tänk på att en rörelsecykel, t.ex. av handleden för att nå rörelser, består av ett begränsat antal positionskoordinater (x, y,z) var och en associerad med ett visst tidsvärde (t) under rörelseperioden. Om vi för förenkling anser att positionskoordinaten x (t) är kontinuerlig snarare än en diskret funktion av följande uttalanden kan matematiskt beskriva förhållandet mellan position, hastighet och acceleration utan att gå in i den matematiska ekvationsdetalj:

• hastigheten v(t) när som helst t är första gången derivat av position x(t) och är lika med det numeriska värdet av lutningen på positionskurvan vid tiden t.

• accelerationen a(t) när som helst t är andra gången derivat av position x(t), Första gången derivat av hastighet v(t), och är lika med det numeriska värdet av lutningen på hastighetskurvan vid tiden t.

• positionen X när som helst t är numeriskt lika med området under hastighet-tidskurvan mellan noll och t.

• hastigheten v när som helst t är numeriskt lika med området under accelerationstidskurvan mellan noll och t.

Med tanke på denna bakgrundsinformation och med hjälp av ett optimeringskriterium, t. ex. minimering av toppacceleration, kan vi nu visa att rörelsebanan som en funktion av tiden i tredimensionellt utrymme är helt bestämd som en följd av optimeringsförhållandet, dvs hela rörelsecykeln är fixerad i tid på grund av periodinträngning. Det faktum att en förväntad tidsmässig begränsning av rörelseperioden (ges av stimulansperioden) resulterar i ett kinematiskt väldefinierat optimeringsproblem möjliggör en matematisk analys som visar en fullständig specifikation av de tredimensionella koordinaterna för en lembana. Med andra ord är minskning av banans variation i armen under en rörelse eller knäet under en stegcykel ett naturligt resultat av den rytmiska tidsbegränsningen.

på kliniskt språk, genom att fixera rörelsetiden genom ett rytmiskt intervall har hjärnans interna tidtagare nu en ytterligare externt utlöst tidtagare med ett exakt referensintervall, en kontinuerlig tidsreferens (Ctr). Denna tidsperiod presenterar tidsinformation till hjärnan i något skede av rörelsen. Hjärnan vet när som helst i rörelsen hur mycket tid som har gått och hur mycket tid som finns kvar, vilket möjliggör förbättrad förväntad kartläggning och skalning av optimala hastighets-och accelerationsparametrar över rörelseintervallet. Hjärnan försöker optimera rörelsen nu genom att matcha den till den givna mallen. Denna process kommer inte bara att resultera i förändringar i rörelsehastighet utan också i mjukare och mindre variabla rörelsebanor och muskelrekrytering. Man kan dra slutsatsen att hörselrytmen, via fysiologisk periodinträngning av motorsystemet, fungerar som en tvingande funktion för att optimera alla aspekter av motorstyrning. Rytmen påverkar inte bara rörelsetidstiden som den centrala koordinativa enheten för motorstyrning – utan modulerar också mönster för muskelaktivering och kontroll av rörelse i rymden (Thaut et al., 1999). Rytmiska signaler ger omfattande optimeringsinformation till hjärnan för omprogrammering rörelse.

Med denna förståelse av de underliggande mekanismerna för entrainment är det kliniskt mindre viktigt om patienterna synkroniserar sitt motoriska svar exakt till takten – det är viktigt att de deltar i den rytmiska perioden eftersom periodmallen innehåller den kritiska informationen för att optimera motorplanering och motorutförande. Forskning har faktiskt visat att tidpunkten för motorresponsen i förhållande till takten kan fluktuera medan rörelseperioden entrains mycket snabbt och exakt till den rytmiska perioden och perioden entrainment upprätthålls under frekvensförändringar i det rytmiska stimulansintervallet (Thaut et al., 1998b).

kliniska tillämpningar av Entrainment

insikterna från rytmiska hörselmotoriska studier ledde till en fullständig omkonceptualisering av rollen som komplexa auditiva stimuli som musik för terapi och rehabilitering. Traditionellt hade musikens roll i terapi betraktats från Samhällsvetenskapliga modeller som en stimulans för personlig tolkning när det gäller välbefinnande, känslomässigt svar och socialt förhållande. Även om dessa egenskaper hos musik också är viktiga för terapeutiska funktioner fokuserade de nya upptäckterna musikens roll som terapeutisk stimulans på dess strukturella egenskaper som formar sensorisk uppfattning kopplad till motorisk funktion (de l ’ Etoile, 2010; Altenmueller och Schlaug, 2013).

de tidiga kliniska fynden har replikerats och utvidgats av ett antal andra forskargrupper som underbygger förekomsten av rytmisk hörselmotorisk krets för entrainment i hemiparetisk gångrehabilitering (Ford et al., 2007; Roerdink et al., 2007, 2011; Thaut et al., 2007; Spaulding et al., 2013). Ett stort antal RAS-studier har replikerat och utvidgat den fördelaktiga användningen av RAS för rörlighet vid Parkinsons sjukdom (se för granskning: deDreu et al., 2012).

efter framgångsrika experiment som medför endogena biologiska rytmer av neurala gångscillatorer uppstod en ny fråga. Kan rytmisk entrainment också tillämpas för att medföra hela kroppsrörelser, särskilt arm-och handrörelser som inte drivs av underliggande biologiska rytmer? Svaret hittades genom att vrida funktionella övre extremitetsrörelser, som vanligtvis är diskreta och icke-rytmiska, till repetitiva cykliska rörelseenheter som nu kan matchas med rytmiska tidssignaler. Flera kliniska forskningsstudier har framgångsrikt undersökt rytmisk cuing för övre extremitet för full kroppskoordination, särskilt vid hemiparetisk strokerehabilitering (Luft et al., 2004; McCombe-Waller et al., 2006; Schneider et al., 2007; Altenmueller et al., 2009; Malcolm et al., 2009; Grau-Sanchez et al., 2013) och hos barn med cerebral pares (Peng et al., 2010; Wang et al., 2013).

förbättringarna i strokearmrehabilitering var jämförbara i storlek med data från forskning inom begränsningsinducerad terapi (CIT; Massie et al., 2009).

fler kliniska tillämpningar av Entrainment

rytmisk entrainment sträcker sig bortom motorstyrning. Framväxande forskning visar att talhastighetskontroll som påverkar begriplighet, oral motorstyrning, artikulering, röstkvalitet och andningsstyrka kan ha stor nytta av rytmisk entrainment med rytm och musik (Pilon et al., 1998; Wambaugh och Martinez, 2000; Thaut et al., 2001; Natke et al., 2003; Lim et al., 2013). Nya fynd i afasi rehabilitering tyder på att den rytmiska komponenten i melodisk intonationsterapi kan vara lika viktig som aktiveringen av intakta högra hemisfäriska talkretsar genom sång (Stahl et al., 2011).

Slutligen har potentialen för tidsmässig entrainment av kognitiv funktion först nyligen uppstått som en viktig drivkraft för terapeutisk förändring. Erkännandet att timing och sekvensering också har en kritisk funktion i kognitiva förmågor (Conway et al., 2009) har lett till forskning som undersöker musikens och rytmens potentiella roll som kognitiv rehabiliteringsteknik. Ljud i musik är i sig tidsmässigt och sekventiellt och kan fungera som en ”byggnadsställning” för att starta representationen av tidsmässiga sekventiella mönster i kognitiva funktioner som minne (Conway et al., 2009). Bootstrapping icke-musikalisk information till rytmisk-melodiska mönster av en musikalisk ”byggnadsställning” kan erbjuda flera fördelar för att förbättra djup kodning under förvärv och hämtning i minnesträning. Musik kan cue den tidsmässiga ordningen och sekvenseringen av information. Den rytmisk-melodiska konturen kan skapa en mönsterstruktur till vilken informationsenheter kan kartläggas. Frasstrukturen för musikmönster kan segmentera de totala informationsenheterna i en mindre uppsättning stora bitar eller övergripande enheter, vilket minskar minnesbelastningen (Wallace, 1994). Denna sista punkt kan utgöra en särskild fördel i musik eftersom musikaliska mnemonics, som korta låtar, vanligtvis består av ett litet alfabet av tonhöjder och rytmiska motiv (Snyder, 2000). Stora informationsenheter konstruerade av stora alfabet (t. ex., ordlistor, nummertabeller) kan kartläggas på en liten tonhöjd och rytm alfabet som är organiserad i redundanta, repetitiva och föregripande ”minnesenheter” minska minnesbelastningen och öka djup kodning (Thaut et al., 2009a).

från Entrainment till komplexitet

neurologiska musikterapitekniker inom kognitiv och tal / språkrehabilitering förlitar sig i stor utsträckning på timingens roll i musik och rytm. Upptäckten att ett musikaliskt element som rytm kan vara en mycket effektiv drivkraft för terapeutiskt lärande och träning har dock lett till ett nytt utseende för att överväga den terapeutiska potentialen hos alla musikaliska element inom ramen för musikuppfattning och Musikspel. Med andra ord öppnade rytmisk entrainment dörrarna för att flytta från övervägande tolkande modeller av musik i terapi till perceptuella baserade modeller. Tolkningstillämpningar av musik i terapi är fortfarande viktiga, särskilt när psykosociala, affektiva/uttrycksfulla eller associativa långsiktiga minnesmål blir ett funktionellt fokus för terapi. Men forskning har nu visat hur hela komplexiteten hos musikaliska element kan formas till funktionell terapi. Perceptuella övningar byggda på melodiska och harmoniska mönster i musik kan tillämpas för att träna hållbar, selektiv, uppdelad, fokuserad och alternerande uppmärksamhet i kliniska miljöer (Gardiner och Thaut, 2014). Musik som ett komplext auditivt språk har tillämpats på omskolning av hörseluppfattningsunderskott och förbättrad taluppfattning (Tierney och Kraus, 2013; Mertel, 2014). Speciella tillämpningar av musikbaserad hörseluppfattningsträning har använts med användare av cochleaimplantat (Mertel, 2014). Hos patienter med hemi-rumslig visuell försummelse terapeutiska övningar med musiklyssning och instrumentspel som betonar auditivt och visuellt fokus på försummelsessidan har visat sig vara framgångsrika för att minska försummelsen (Hommel et al., 1990; Abiru et al., 2007; Soto et al., 2009; Bodak et al., 2014). Slutligen guidade elementära kompositions-och improvisationsövningar i musik som betonar komplexitetstänkande, beslutsfattande, problemlösning, resonemang, affektiv utvärdering, självorganisation, förståelse etc. har visat sig vara framgångsrika i att förbättra verkställande funktion hos personer med traumatisk hjärnskada (Thaut et al., 2009b; Hegde, 2014).

gränser för neurologisk musikterapi

upptäckten av entrainment för terapeutiska ändamål i början av 1990-talet har lett till en stark mängd forskningsbevis för att periodiciteten hos hörselrytmiska mönster kan förbättra rörelsemönster hos patienter med rörelsestörningar. Motorstyrningsteori och motorisk neurofysiologi föreslår att förändringar i motormönster beror på priming av motorsystemet och förväntande rytmiska mallar i hjärnan som möjliggör optimal förväntan, motorplanering och utförande med en extern rytmisk kö. Hjärnans förmåga att använda entrainment för att omprogrammera utförandet av ett motormönster har gjort rytmisk entrainment till ett viktigt verktyg vid motorrehabilitering (Thaut och Abiru, 2010; Thaut och McIntosh, 2014). På senare tid har tidsmässig rytmisk entrainment utvidgats till tillämpningar inom kognitiv rehabilitering och tal-och språkrehabilitering, med framväxande bevis för att mekanismer för rytmisk entrainment kan vara ett viktigt verktyg för rehabilitering inom alla områden av neurologisk musikterapi (Thaut, 2010; Thaut och Hoemberg, 2014). Musikens temporära struktur är fortfarande ett centralt element i terapi och rehabilitering. Upptäckten av rytmisk entrainment har emellertid också öppnat dörren för att utforska de terapeutiska mekanismerna i andra delar av musik som melodi och harmoni, och slutligen i musikens mönsterstruktur som ett komplext auditivt språk för att stimulera och (åter) träna komplexa kognitiva funktioner. Neurologisk musikterapi som en kodifierad och standardiserad behandlingsmodell, som för närvarande omfattar 20 tekniker inom motor, tal/språk och kognitiv rehabilitering, har uppstått och har medicinskt accepterats ganska snabbt under de senaste 15 åren. Men eftersom NMT byggdes på befintliga forskningsdata kommer den framtida formen av NMT att drivas dynamiskt av fortsatt forskning. Ett av de största områdena av terapeutiskt behov är psykiatrisk rehabilitering. Framväxande syn på arten av psykisk sjukdom, driven av nya insikter från neuropsykiatrisk forskning, kan möjliggöra en mer fokuserad förlängning av NMT-tekniker inom områdena verkställande och psykosocial funktion, uppmärksamhet och minne för att bidra till psykiatrisk behandling.

intressekonflikt uttalande

författarna förklarar att forskningen genomfördes i avsaknad av kommersiella eller finansiella relationer som kan tolkas som en potentiell intressekonflikt.